浅谈绝对零度

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1、浅谈绝对零度摘要简耍介绍了绝对零度的由来、低温的历史以及绝对零度的测量方法，最后以能斯特定理为基础，通过推导得到了绝对零度不能达到。关键词绝对零度温度能斯特定理1•绝对零度的由来绝对零度的概念早在17世纪末阿蒙顿(G.Amontons)的著作中就已有萌芽⑴。他观测到空气的温度每卜•降一等量份额，气压也下降等量份额。继续降低温度，总不会得到气压为零的时候，所以温度降低必冇一限度。他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下。阿蒙顿述预言，达到这个温度吋，所有运动都将趋于静止。目前,我们通常把200〜81k称为普冷区;80〜0.3k称为低温区或深冷区;而把0.3k以下的温区称为极冷区⑵。那么，低温冇

2、没冇尽头呢？1785年，法国物理淫家查理发现:一定量的气体，在体积一定的情况卜•，温度每降低一度，压强就会降低它在零度的1/273o17年以后，他的同胞盖•吕萨克又发现：一定量的气体，在压强一定的情况下，温度每降低一度，气体体积就会缩小它在零度的1/273。照此推算，当温度降低至一273°C吋，所有气体的体积和压强都变为零。乂过了半世纪，英国物理学家汤姆生明确指出：温度每降低一度，降低1/273的是物质分子的平均内能，即在一273°C时物质分子的平均内能要变为零，这显然是不可能的。结论很清楚，一273°C是物质的最低温度，物质世界里再没冇比它更低的温度了。这就是绝对温度的曲來，也是科学上常

3、用的开氏温标(K)的起点。2•低温的终点——绝对零度绝对零度被捉出后，许多科学家便致力丁此，开始了向绝对零度的冲刺。1877年，法国工程师Caiheted首先液化了O2，达到了90.2K的低温。1898年，英国物理学家Dewer将比液化，达到了24K的低温。1908年，荷兰的Onnes将He液化，得到了4.2K的低温。Onnes曾进一步用减压降温的方法达到了1.04k的低温。他也被人们称为“绝对零度”先生。1956年，英国人Simon和Kurti用核去磁冷却法获得105Ko1979年，苏格兰人用级联核冷却法得到了5X10'8K的低温。1989年，中国和瑞士的低温实验室报道已得到了10%的低

4、温。众所所周知，人类要获得高温比较容易。但要想获得低温则较为闲难。目前人类已获得1.7X10-9K的低温⑶。绝对零度虽然不能达到。但这并小阻挡人类向绝对零度挺进的脚步。1•绝对零度的测量传统测量绝对零度的方法是采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度（绝对零度）的摄氏温。代伟等⑷曾报道新型PT14扩散硅压力传感器和AD590电流型集成温度传感器灵敏度高，用它们配合贮气球休测量绝对零度，测量准确性和重复性好。将它们用于改进的绝对零度测量装置，实验时能明显地观察热力学现彖，实验结呆精确。以空气为介质，用改进后的实验装置测得的绝对零度值为-272.00°C,与标准值相比，百分差为0.42%,这在

5、热学与热力学的实验中测量准确度是较高的。测得平均值为-274.12°C,而理论值为・273.15°C,绝对误差小于0.5%o图1用传感器测量绝对零度实验装置图2实验测得的温度打压强的关系Fourier15堤rfl数据采集器+传感器+多媒体计算机构成的一•种新型掌上实验系统（HandheldsystemLaboratory,简称手持技术）。利用手持技术对绝对零度的测量，其操作简便，现象明显，绝对误差小于0.5%。2•绝对零度不能达到的原因1912年Nernst在他的著作《热力学与比热》中，将“热学新理论”表述成：“不可能通过有限的循环，使物体冷到绝对零度。”这就是绝对零度不可能达到定律，也就

6、是热力学第三定律通常采用的表述方法。Nernst定理指岀⑹，在接近0K时，任何过程中的爛值不变，它既是等爛过程，乂是绝热过程，没有热量的交换（如果冇热量的交换AS就不等于零）。因此，任何凝聚态物质在接近0K吋，无论进行什么热力学过程，都不能通过释放热量而降低温度。又由于凝聚态物质，也不能靠绝热膨胀对环境做功而降低温度。所以，系统的温度不可能继续降低，从而达不到绝对零度。从Nernst定理推出“绝对零度不可达到原理”，还可以采取如卜•的证明⑺。首先考虑降温的手段，即考查经历何种过程降温最有效。显然，放热降温当然冇效,但又必须有更低温度的热源，这是不实际的。因此，只有绝热降温是可取的方式。这又

7、有两种选择：可逆或不可逆。我们来分析这两种方式。假定以（T,y）为独立参数，y可能是实验可控的体积、压强等。对于可逆过程，随着温度的增加系统的爛亦增加。在S—T图（图3）上，假定物体系曲Y1线上的一点A经历绝热可逆过程（爛不变，沿水平线）到达y?线的B点。两状态的温度分别记为Ta和TBorBTct.图3物体系爛随温度T和y的变化趋势如杲由A经历不可逆绝热过程（炳增加）到达y2线，则应到达炳更大的一点C,显然有Tc>Tb可